Högt tryck och forskning på nano-nivå

Det låter kanske som en riktig Norge-historia – men det är faktiskt sant. Under tillräckligt högt tryck kan man omvandla syre till metall, och utsätter man fullerener – en typ av kol - för högt tryck och värme får man fram ett material hårdare än diamant. Alexander Soldatov, professor i fysik vid Institutionen för tillämpad fysik och maskinteknik vid Luleå tekniska universitet, har i dagarna funnits vid universitetet i ett år och hans verksamhet handlar om tillverkning och studier av material vid högt tryck. I mitten av augusti valdes Alexander Soldatov in i styrelsen för EHPRG, en europeisk vetenskapsgrupp som specialiserat sig på forskning vid högtryck. - Det finns högtryck, högt tryck och mycket högt tryck, säger Alexander Soldatov och beskriver skillnaden mellan ”vanligt” högt tryck och det som i vetenskaplig bemärkelse är att betrakta som högt tryck. - Ultrahögtryck, det vill säga 1 miljon atmosfär eller 100 GPa, är ovanligt men ett tryck som inte är helt främmande för de som arbetar inom samma fält som jag. I jordklotets mitt är trycket 1,5-3 miljon atmosfär, det handlar om ett oerhört högt tryck och för en lekman är det minst sagt svårt att förstå hur detta tryck kan uppstå på mer ”mekanisk” väg. - Tekniken utvecklades för 30 år sedan, man använder sig av två diamanter som slipas till spetsiga nålar, placerar provet mellan dessa nålar och tillsätter kraft. Tryck är ju kraft delat med yta – det handlar om mycket små ytor och ”nålar”, och själva instrumentet är inte särskilt stort alls, fullt jämförbart med ett vanligt hålslag i storlek, säger Soldatov. Att det på detta sätt går att förvandla syre till metall och supraledare, är som sagt inte alldeles lätt att förstå för en lekman som undertecknad, och när Alexander Soldatov berättar att man med samma metod kan förvandla metallen litium (alltså en bra elektrisk ledare) till en isolator, då inser jag snabbt att den här tekniken och de här rönen för all framtid kommer att förändra hela vår natur. Det finns sju laboratorier i världen som i dag arbetar med samma sorts forskning som Alexander Soldatov, alltså ultrahögt tryck. Ett finns på Harvard University i USA där Soldatov arbetat som gästprofessor under ett antal år. Det var också där som Soldatov arbetade med att ”förvandla” väte till metall och det var där han fortsatte sin forskning på de kolbaserade material – fullerener och nanorör - som i dag upptar det mesta av hans tankeverksamhet. - Fullerener, den tredje delen av det vi känner som kol, upptäcktes 1985 – en upptäckt som 1997 tilldelades Nobelpriset i kemi. Den enklaste fullerenen C60 består av 60 kolatomer arrangerade i molekyler vars struktur enklast kan beskrivas genom att du tänker dig en kol-atom placerad i varje hörn av mönstret på en fotboll, säger Alexander Soldatov. - Nanorör är också en modifikation av kol och upptäcktes 1991. Ett sådant rör är tusen gånger tunnare än ett hårstrå – en nanometer, eller en miljarddel av en meter. Och tack vare sina unika egenskaper (de är exempelvis 100 gånger starkare än stål men med bara en sjättedel av stålets vikt ) kommer dessa kolnanostrukturer att ha en avgörande betydelse för teknologins utveckling de närmaste tio åren. De här nanorören, eller nanotrådarna, leder ström och skulle även kunna fungera som supraledare. Det är som sagt oerhört små – det krävs svepmikroskop för att över huvud taget få syn på dem. Både nanorör och de så kallade fullerenpolymererna (hopkopplade fulleren-molekyler) leder elektricitet och kan alltså användas som mycket, mycket små ledningar. - Och det är just den egenskapen som innebär att de kommer att få en oerhörd betydelse de närmaste tio åren, den strömförande egenskapen kan möjliggöra en ny generation elektroniska verktyg, verktyg upp till 1.000 gånger mindre än dagens kisel-baserade. I samarbete med Cornell University i USA studerar jag elektrisk ledning hos enskilda fulleren-molekyler, som vi tillverkar med tillämpning av högt tryck, och vi kan även tillverka fullerenpolymerer på samma sätt. - Vi var exempelvis de första som synteserade polymerer av C70 molekyler, det har ingen lyckats göra förut. Detta resultat hade publicerats i Science Magazine och väckte stort intresse i vetenskapsmedierna. Nyligen lyckades vi tillverka och studera elektrisk ledning genom C140, en dimer av C70 fulleren. Eftersom denna molekyl bryts av vid hög temperatur kan man tänka sig tillämpningar av den som en ”fuse” i framtidens molekylärelektroniska kretsar. - Som alltid är det dock lång väg att gå från de rent teoretiska möjligheterna till praktiska tillämpningar, bindningarna mellan nanorören är i dag för svaga. Därför försöker vi utveckla nya material där kolnanorören binds ihop med starka bindningar på rent molekylär nivå, vilket man gör dels genom att utsätta dem för högt tryck och höga temperaturer, dels genom att modifiera rören kemiskt genom att sätta fast små reaktiva molekyler på rören och sedan koppla ihop dem. Ett forskningsnätverk som koordineras av Alexander Soldatov och som inkluderar laboratorier från Sirius Materials Center (Ltu), Uppsala universitet samt SICOMP AB, planerar att tillverka blandmaterial, så kallade kompositer, där kolnanorören blandas med metaller eller polymerer och sedan kopplas ihop via komponenterna. - Vi hoppas hitta metoder att tillverka till exempel mycket lätta och starka material, extremt lätta värmeledare eller varför inte starka men porösa material med porer av nanometerstorlek för exempelvis lagring av gaser för energitillämpningar eller för användning i elektroder i exempelvis batterier? Både material som potentiellt är mer än tio gånger starkare än stål men betydligt mycket lättare, elektriska ledare som är flera gånger bättre än koppar och batterier som lagrar dubbelt så mycket energi som i dag med betydligt lägre vikt – allt det är självfallet av stort intresse för både samhället i stort och för industrin, säger Alexander Soldatov. - Just nu arbetar forskare över hela världen med att vara först med att kunna tillverka dessa material – och jag hoppas kunna bidra till att åtminstone någon av visionerna först förverkligas här, i Sverige och i Luleå. Trots dessa visioner har Alexander Soldatov ännu inget fullgott laboratorium för att genomföra dem. Är det över huvud taget möjligt att komma vidare utan rätt utrustning? - Nej, det är det givetvis inte, men jag hoppas att ekonomin snart ska ljusna något. Jag har ett antal ansökningar inne både hos Vetenskapsrådet och Kempe-stiftelserna. Jag hoppas också på stöd för min verksamhet på fakultets- och central universitetsnivå här vid Ltu. Som ett direkt uppmärksammande av hans insatser inom högtrycksforskningen valdes Alexander Soldatov i mitten av augusti i år in i EHPRG:s (The European High Pressure Research Group) styrelse, som ende svensk – ja till och med den ende från Norden. Övriga styrelseledamöter kommer från bland annat Tyskland, England, Ryssland, Polen och Frankrike. - Som styrelsemedlem kommer jag bland annat att delta i arbetet med att koordinera den europeiska högtrycksforskningen, att arrangera konferenser och sprida information. Ett bra och nyttigt kontaktnät som väl kompletterar det jag redan har i USA. /Lena Edenbrink